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문제 정의
- 그러므로 수요관리를 효율적으로 수행하기 위해서는 통합 에너지 차원에서의 수요관리가 요구되고 있는 상황이다. 본 논문에서는 수요관리 효과 분석을 통합 에너지 차원에서 수행하기 위해 국내에서 사용되는 전체 에너지원에 대한 분석을 통하여 수요관리 요소의 적용이 가능한 Energy Balance Flow를 구축하고, 이를 기반으로 수요관리 요소의 적용에 따른 에너지 절감 효과, CO2 배출 저감 효과, 에너지 비용 절감 효과를 산출할 수 있는 Energy System management 모형을 개발하였다.
- 본 논문에서는 통합 수요관리 효과를 분석하기 위해 수요관리 요소의 적용이 가능한 Energy Balance Flow를 구성하고 이를 기반으로 수요관리 요소의 적용에 따른 1차 에너지 사용량 변화를 산출함에 따라 통합 수요관리 효과 분석을 정량적으로 수행할 수 있는 Energy System Management 모형을 개발하였다.
가설 설정
- 소형 열병합 발전 투입 증가에 의한 수요관리 효과 분석을 위한 입력을 구성하였다. 소형 열병합 발전은 가스를 사용하는 수용가로 가정하여 구성하였으며, 현재의 소형 열병합발전의 설비용량을 입력하면 천연가스 사용량, 전력 생산량 및 열 생산량을 산출하도록 모형을 구성하였다. 수요관리에 의해 소형열병합 발전이 투입되면 에너지 흐름이 변화하고, 이에 따른 1차 에너지 사용량의 변화를 산출할 수 있도록 모형을 구성하였다.
- 또한 석유 제품 사용량에 IPCC 탄소배출계수를 적용하여 CO2 배출량을 산출할 수 있도록 모형을 구성하였다. 우라늄, 폐기물 및 바이오 에너지를 변환 및 소비에서 사용할 수 있는 에너지원으로 정제하는 과정을 정제부문으로 구성하였으며, 정제 과정을 거친 우라늄은 변환부문에서 사용 가능한 농축우라늄이 되며, 변환부문에서 필요한 만큼만 수입한다고 가정하여 모형을 구성하였다. 폐기물은 폐기물 가스와 기타 폐기물 에너지가 생산되고, 바이오메스는 바이오가스, 바이오 디젤, 기타 바이오 에너지가 생산되도록 정제부문을 구성하였으며, 생산량은 소비 및 변환에서 사용되는 양만큼만 생산한다고 가정하고 모형을 구성하였다.
- 국내의 경우 석유 및 천연가스는 대부분 수입하고 있으며, 매년 일정하지 않게 생산되고 있는 실정이다. 이를 반영하기 위해 생산량을 입력으로 구성하고 입력이 없는 경우 전량 해외에서 수입한다고 가정하고 모형을 구성하였다. 소비부문 입력의 구성은 그림 9와 같다.
- 우라늄, 폐기물 및 바이오 에너지를 변환 및 소비에서 사용할 수 있는 에너지원으로 정제하는 과정을 정제부문으로 구성하였으며, 정제 과정을 거친 우라늄은 변환부문에서 사용 가능한 농축우라늄이 되며, 변환부문에서 필요한 만큼만 수입한다고 가정하여 모형을 구성하였다. 폐기물은 폐기물 가스와 기타 폐기물 에너지가 생산되고, 바이오메스는 바이오가스, 바이오 디젤, 기타 바이오 에너지가 생산되도록 정제부문을 구성하였으며, 생산량은 소비 및 변환에서 사용되는 양만큼만 생산한다고 가정하고 모형을 구성하였다.
제안 방법
- (1) 본 연구에서는 기존에 국내에서 작성되고 있던 Energy Balance Flow와 해외 모형에 적용되는 Reference Energy System의 분석을 통해 수요관리 요소의 적용이 용이한 구조인 공급, 정제, 변환, 분배, 소비의 구분을 Energy Balance Flow의 기본구조를 구성하였다. 이를 바탕으로 국내에서 작성되고 있는 에너지 통계 자료를 분석하여 국내 상황에 맞는 공급, 정제, 변환, 분배, 소비 부문을 구성함으로써 국내에서 사용되는 전체 에너지 흐름을 나타내고 수요 관리 요소의 적용이 가능한 Energy Balance Flow를 구성하였다.
- (2) 최종 소비부문에서 사용되는 에너지 사용량과 효율, 구성 비율 등의 데이터 입력을 통하여 전체 에너지 흐름이 산출될 수 있도록 Energy System Management 모형을 구축하였다. 수요관리 요소의 적용이 없는 경우, 최종 에너지사용량의 입력을 통해 현재의 Energy Balance Flow 구현을 통해 1차 에너지 사용량의 산출이 가능한 모형을 개발하였다.
- (3) 국가적 관점에서 에너지 수요관리 효과 분석이 가능하도록 Energy System Management 모형을 개발하였다. Energy Balance Flow의 각 부문에 적용 가능한 에너지 효율향상, 구성비율의 변화, 정제 수율의 변화, 에너지원의 이동, 냉난방방식의 변화, 소형열병합의 투입 등의 수요관리요소를 적용할 수 있도록 구성하고, 수요관리 요소 적용에 따른 에너지 사용 절감, CO2 배출 저감, 에너지 비용 절감의 효과를 산출할 수 있는 모형을 개발하였다.
- 1차 에너지를 이용하여 2차 에너지인 전력 및 열에너지를 생산하는 부문을 변환부문으로 구성하였다. 국내의 발전 방식은 총 14가지로 구분되며, 발전 방식 중 중대형CHP는 전력과 열을 동시에 생산한다.
- Energy Balance Flow를 통해 산출된 1차 에너지 사용에 따른 에너지 사용 금액을 산출하기 위해 에너지원별 단가를 입력할 수 있도록 모형을 구성하였다. 에너지원별 사용단위를 [천TOE]로 변환하기 위해 에너지원별 계수를 적용하고, 에너지원별 수입 비용을 [백만원]단위로 변환하기 위해 환율을 입력할 수 있도록 구성하였다.
- (3) 국가적 관점에서 에너지 수요관리 효과 분석이 가능하도록 Energy System Management 모형을 개발하였다. Energy Balance Flow의 각 부문에 적용 가능한 에너지 효율향상, 구성비율의 변화, 정제 수율의 변화, 에너지원의 이동, 냉난방방식의 변화, 소형열병합의 투입 등의 수요관리요소를 적용할 수 있도록 구성하고, 수요관리 요소 적용에 따른 에너지 사용 절감, CO2 배출 저감, 에너지 비용 절감의 효과를 산출할 수 있는 모형을 개발하였다.
- Energy Balance Flow는 국가에서 사용되는 1차 에너지원의 공급부터 소비자에 의한 최종 소비까지 에너지 전체의 흐름을 구성하는 것이다. Energy Balance Flow의 구성을 위해 국내에서 작성되고 있는 에너지 통계와 해외 에너지 수급 모형에서 사용되는 Energy Reference System을 분석하였다. 이를 통해 수요관리의 효과를 통합 에너지 차원에서 평가할 수 있는 모형의 기반으로 사용하기 위해 국내 상황에 적합하고, 수요관리 요소의 투입이 가능한 Energy Balance Flow를 구성하였다.
- Energy Balance Flow의 소비부문에서 1차 에너지와 전력및 열 등의 2차 에너지를 사용하고 있으며, 국가적 차원의 에너지 흐름을 구성하기 위해서는 2차 에너지를 생산하는 변환 과정을 Energy Balance Flow에 적용해야 한다. Energy Balance Flow의 변환부문 구성을 위해 해외 모형의 변환부문 구성 및 국내 통계 자료를 분석하였다.[7] 국내외 변환기술은 크게 전력만을 생산하는 경우, 열만 생산하는 경우, 전력 및 열을 동시에 생산하는 경우로 동일하게 구분되고 있으나 변환 기술의 세부구분에는 차이가 있다.
- 열에너지를 생산하는 변환기술은 해외 모형에는 CHP(Combined Heat and Power)만이 포함되어 있으나, 국내 통계 자료에는 CHP, PLB(Peak Load Boiler), 발전에 의한 열 생산이 있다. Energy Balance Flow의 변환부문은 국내의 상황에 맞도록 구성해야 하므로 국내 통계 자료의 구분을 적용하여 구성하였다.
- Energy System Management 모형은 기준 Energy Balance Flow와 수요관리 시나리오가 적용된 EnergyBalance Flow의 1차 에너지 사용량의 차이를 통하여 에너지 사용량의 변화, 에너지 사용 변화에 따른 CO2 배출량의 변화 및 에너지 사용 금액의 변화를 산출할 수 있도록 구성하였다. Energy System Management 모형의 기능은 크게 두 가지로 구분할 수 있다.
- Energy System Management 모형의 수요부문은 기준 Energy Balance Flow 구성을 위한 기본 데이터인 에너지 사용량을 입력할 수 있도록 구성하였다. 수요부문은 3.
- 각 발전 방식 및 열 생산 설비가 생산해야 하는 2차 에너지 생산량은 분배부문에서 산출되도록 모형을 구성하였으며, 이를 기반으로 효율, 소내 손실 및 사용하는 에너지원의 종류를 적용하여 변환 방식별 1차 에너지 사용량을 산출하도록 변환부문을 구성하였다.
- 해외 모형에서는 전력의 경우 발전 설비의 특성에 따라 송전망에 연결된 방식과 배전망에 연결되는 방식으로 구분되어 소비 부문에 전력을 공급하고, 열에너지는 열 배관 네트워크를 통해 소비부분에 공급하고 있다. 국내 통계자료를 분석한 결과 해외 모형과 동일한 특성을 가지고 있으므로, Energy Balance Flow의 분배부문 구성은 송전 네트워크, 배전 네트워크, 열 배관 네트워크로 구성하였다. 천연가스 공급의 경우 네트워크의 구성은 없으나 공급에 따른 손실은 적용되도록 분배부문을 구성하였다.
- 화석연료의 1차 에너지 사용량과 석유제품의 사용량에 IPCC 탄소배출계수를 적용하여 에너지 사용에 따른 CO2 배출량을 산출할 수 있도록 모형을 구성하였다. 그러나 화석연료 중 원유는 정제를 통해 석유제품으로 변화하고 석유제품에 IPCC 탄소배출계수를 적용하였으므로 원유에는 IPCC 탄소배출계수를 적용하지 않고 모형을 구축하였다.
- 수요관리 효과를 통합 에너지 차원에서 평가하기 위한 모형의 기반으로 사용하기 위한 Energy Balance Flow의 기본 구조는 수요관리 요소의 적용이 용이한 Reference Energy System의 공급, 정제, 변환, 분배, 소비로 구성하였다. 기본 구조는 Reference Energy System과 동일하게 구성하였으나, 에너지의 사용 특성은 각 국가의 상황에 따라 다르기 때문에 국내 상황에 맞는 Energy Balance Flow의 구성을 위해 국내에서 작성되고 있는 에너지 통계자료를 분석하였으며, 이를 통해 Energy Balance Flow의 부문별 세부요소를 구성하였다. 수요관리 효과를 평가하는 모형은 수요관리 요소의 투입에 의한 공급부문의 1차 에너지 사용량 변화를 통해 수요관리 효과를 산출하는 것이므로 에너지 흐름은 소비에서 공급으로 흐르도록 구성하였다.
- 수요관리를 통해 냉난방방식의 변화가 일어나면, 에너지 사용량 및 CO2 배출량이 변화하게 된다. 따라서 냉난방방식의 변화에 따른 수요관리효과 분석을 수행하기 위해 냉난방방식의 변화를 입력할 수 있도록 모형을 구성하였다.
- 정제의 과정에서는 원유의 수입량에 정제 수율을 적용하여 석유 제품 생산량을 산출하도록 구성하였으며, 석유제품별 소비부문 및 변환부문에서의 사용량을 비교하여 수출입량이 산출되도록 모형을 구성하였다. 또한 석유 제품 사용량에 IPCC 탄소배출계수를 적용하여 CO2 배출량을 산출할 수 있도록 모형을 구성하였다. 우라늄, 폐기물 및 바이오 에너지를 변환 및 소비에서 사용할 수 있는 에너지원으로 정제하는 과정을 정제부문으로 구성하였으며, 정제 과정을 거친 우라늄은 변환부문에서 사용 가능한 농축우라늄이 되며, 변환부문에서 필요한 만큼만 수입한다고 가정하여 모형을 구성하였다.
- 소비부문의 최종 에너지 사용량을 기준으로 분배, 변환, 공급 부문에서의 에너지 흐름을 산출하기 위해 각 부문별 효율을 입력으로 구성하였으며, 송배전 효율, 열 배관 효율 등의 분배부문 효율, 발전 및 열 생산을 위한 변환부문 효율, 최종 에너지 소비 효율이 있다. 모든 효율 입력의 구성은 기준 Energy Balance Flow 구성을 위한 현재 효율의 입력과 효율향상에 의한 수요관리 효과를 분석할 수 있도록 각 부문별로 효율향상을 입력할 수 있도록 구성하였다.
- 원유 정제를 통해 생산되는 석유 제품의 생산량을 산출하기 위해 석유 정제 수율을 입력으로 구성하였으며, 이를 기반으로 석유제품의 수입, 수출량을 산출할 수 있도록 모형을 구성하였다. 발전 방식별로 사용하는 에너지원과 비율이 다르므로, 발전 방식별 1차 에너지 사용량을 산출하기 위해 발전 방식별 연료 사용 비율을 입력을 구성하였다. 소비부문에서 사용하는 전력량을 생산하기 위해 각 발전 방식이 생산해야 하는 전력량을 산출하기 위해 발전 방식별 발전량 구성 비율을 입력으로 구성하였다.
- 석탄, 석유, 천연가스, 우라늄 및 신재생 에너지의 소비,변환, 정제 부문에서 사용되는 전체 에너지사용량이 산출되도록 모형의 공급부문을 구성하였다. 최종 소비자의 에너지사용량 입력을 기준으로 분배, 변환, 정제의 과정을 통해 1차 에너지원의 최종 사용량이 공급 부문에서 산출되며, 각 에너지원별로 변환 및 소비부문에서의 사용량을 구분하여 산출할 수 있도록 모형을 구성하였다.
- 발전 방식별로 사용하는 에너지원과 비율이 다르므로, 발전 방식별 1차 에너지 사용량을 산출하기 위해 발전 방식별 연료 사용 비율을 입력을 구성하였다. 소비부문에서 사용하는 전력량을 생산하기 위해 각 발전 방식이 생산해야 하는 전력량을 산출하기 위해 발전 방식별 발전량 구성 비율을 입력으로 구성하였다. 수요관리에 의해 전력 사용량이 변화한 경우 발전 설비가 담당하는 발전량이 변화한다.
- 전력 및 열에너지를 최종 소비자에게 공급하기 위한 송전 및 배전, 열 배관 네트워크를 분배부문으로 구성하였다. 소비부문의 입력 데이터인 전력 및 열의 최종 사용량에 효율을 적용하여 2차 에너지 생산 시설이 생산해야 하는 에너지양 및 손실을 산출하도록 구성하고, 입력사항인 발전 설비별 발전량 구성 비율을 적용하여 각 발전설비가 생산해야하는 전력 생산량을 산출하도록 모형을 구성하였다. 열에너지의 경우 최종사용량에서 중대형 CHP와 발전에 의해 생산된 열에너지를 제외한 나머지를 PLB가 담당하도록 모형을 구성하였다.
- 소비부문의 최종 에너지 사용량을 기준으로 분배, 변환, 공급 부문에서의 에너지 흐름을 산출하기 위해 각 부문별 효율을 입력으로 구성하였으며, 송배전 효율, 열 배관 효율 등의 분배부문 효율, 발전 및 열 생산을 위한 변환부문 효율, 최종 에너지 소비 효율이 있다. 모든 효율 입력의 구성은 기준 Energy Balance Flow 구성을 위한 현재 효율의 입력과 효율향상에 의한 수요관리 효과를 분석할 수 있도록 각 부문별로 효율향상을 입력할 수 있도록 구성하였다.
- 소형 열병합 발전 투입 증가에 의한 수요관리 효과 분석을 위한 입력을 구성하였다. 소형 열병합 발전은 가스를 사용하는 수용가로 가정하여 구성하였으며, 현재의 소형 열병합발전의 설비용량을 입력하면 천연가스 사용량, 전력 생산량 및 열 생산량을 산출하도록 모형을 구성하였다.
- (2) 최종 소비부문에서 사용되는 에너지 사용량과 효율, 구성 비율 등의 데이터 입력을 통하여 전체 에너지 흐름이 산출될 수 있도록 Energy System Management 모형을 구축하였다. 수요관리 요소의 적용이 없는 경우, 최종 에너지사용량의 입력을 통해 현재의 Energy Balance Flow 구현을 통해 1차 에너지 사용량의 산출이 가능한 모형을 개발하였다.
- 1 소비부문 입력 구성에서 나타낸 그림 9와 같다. 수요관리 요소중 에너지 사용 효율 향상, 에너지원간 이동, 냉난방방식의 변화, 소형 열병합 발전의 투입 최종 에너지 사용량에 영향을 주며, 수요관리에 의해 변화된 최종에너지 소비량은 시나리오 적용 Energy Balance Flow의 수요부문에서 산출되도록 모형을 구성하였다.
- 수요관리 효과를 통합 에너지 차원에서 평가하기 위한 모형의 기반으로 사용하기 위한 Energy Balance Flow의 기본 구조는 수요관리 요소의 적용이 용이한 Reference Energy System의 공급, 정제, 변환, 분배, 소비로 구성하였다. 기본 구조는 Reference Energy System과 동일하게 구성하였으나, 에너지의 사용 특성은 각 국가의 상황에 따라 다르기 때문에 국내 상황에 맞는 Energy Balance Flow의 구성을 위해 국내에서 작성되고 있는 에너지 통계자료를 분석하였으며, 이를 통해 Energy Balance Flow의 부문별 세부요소를 구성하였다.
- 수요관리 효과를 통합 에너지 차원에서 평가할 수 있는 모형의 기반으로 사용하고 수요관리 요소의 적용이 가능한 Energy Balance Flow를 구성하기 위해 기존 국내에서 작성되고 있던 Energy Balance Flow[3][4]와 해외 에너지 수급 모형에서 사용되는 Energy Reference System을 분석하였다. 국내외에서 작성되는 Energy Balance Flow는 모두 공급부터 소비까지의 에너지 흐름이 나타나도록 구성되어 있으나 국내의 경우 수요관리 요소의 적용이 가능한 변환 및 분배의 과정이 간략하게 구성되어 있는 반면 해외 통합 에너지 모형에 적용되고 있는 Energy Reference System은 각 부문별로 수요관리 요소의 적용이 용이하도록 공급, 정제, 변환, 분배, 소비로 구분되어 체계적이며, 세부적으로 구성되어 있다.
- 수요관리에 의한 통합 에너지 차원에서의 효과를 평가하기 위한 모형을 개발하기 위해 국내 상황에 적합하고, 수요 관리 요소의 적용이 용이한 Energy Balance Flow를 구성하였다. 이를 기반으로 수율 및 구성 비율, 효율, 에너지원 이동, 냉난방방식의 변화 및 소형 열병합 발전의 증가 등의 수요관리 요소가 Energy Balance Flow에 적용되면 국가적 차원의 1차 에너지 사용량 변화, CO2 배출량 변화 및 에너지 사용 금액의 변화를 산출할 수 있는 Energy System Management 모형을 개발하였다.
- 수요관리에 의한 통합 에너지 차원의 효과를 평가하기 위한 모형의 기반인 Energy Balance Flow의 기본 구조는 국내외 모형의 분석을 통하여 수요관리 요소의 적용이 용이한 해외 모형의 공급, 정제, 변환, 분배, 소비로 구분하였으며, 해외 모형과 국내 통계 자료의 분석을 통하여 국내 상황에 맞는 Energy Balance Flow의 각 부문별 세부 요소를 구성하였다. 각 부문별 세부 요소를 적용한 전체 Energy Balance Flow의 구성은 그림 6과 같다.
- Energy Balance Flow와 시나리오 적용 Energy Balance Flow의 1차 에너지 사용량의 차이에 의해 통합 수요관리 효과 분석 결과를 도출하며, 효과 분석의 전체적인 과정은 그림 8과 같다. 수요관리에 의한 효과 분석결과는 시나리오 적용 효과에서 표를 통하여 수치적으로 확인할 수 있으며, 각 에너지원별 효과를 그래프를 통하여 확인할 수 있도록 구성하였다.
- 소형 열병합 발전은 가스를 사용하는 수용가로 가정하여 구성하였으며, 현재의 소형 열병합발전의 설비용량을 입력하면 천연가스 사용량, 전력 생산량 및 열 생산량을 산출하도록 모형을 구성하였다. 수요관리에 의해 소형열병합 발전이 투입되면 에너지 흐름이 변화하고, 이에 따른 1차 에너지 사용량의 변화를 산출할 수 있도록 모형을 구성하였다.
- 수율 및 구성 비율은 Energy Balance Flow 구성을 위해 분배, 변환, 정제 부문에 적용되어야 하는 사항이며 정제 수율, 발전 방식별 연료 사용 비율 및 발전 방식별 발전량 구성 비율을 입력으로 구성하였다. 이는 수요관리에 의해 변화할 수 있는 비율이므로 현재의 비율과 수요관리에 의해 변화된 비율이 적용 가능하도록 입력을 구성하였다.
- Energy Balance Flow를 통해 산출된 1차 에너지 사용에 따른 에너지 사용 금액을 산출하기 위해 에너지원별 단가를 입력할 수 있도록 모형을 구성하였다. 에너지원별 사용단위를 [천TOE]로 변환하기 위해 에너지원별 계수를 적용하고, 에너지원별 수입 비용을 [백만원]단위로 변환하기 위해 환율을 입력할 수 있도록 구성하였다. 화석연료의 1차 에너지 사용량과 석유제품의 사용량에 IPCC 탄소배출계수를 적용하여 에너지 사용에 따른 CO2 배출량을 산출할 수 있도록 모형을 구성하였다.
- 에너지의 최종 소비가 이루어지는 Energy Balance Flow의 소비부문 구성을 위해 해외 모형에 적용되는 구분과 국내 통계자료에서 적용하는 구분을 분석하였다.[6] 해외 모형의 소비부문 구성은 에너지 사용 용도별 구성만을 적용하고 있으며, 국내의 경우는 에너지 사용 용도별 구성과 최종에너지원별로 나누어 구분하고 있다.
- 원유 및 우라늄, 신재생 에너지의 정제 과정에 따른 에너지 흐름을 산출하기 위해 모형의 정제부문을 구성하였다. 정제의 과정에서는 원유의 수입량에 정제 수율을 적용하여 석유 제품 생산량을 산출하도록 구성하였으며, 석유제품별 소비부문 및 변환부문에서의 사용량을 비교하여 수출입량이 산출되도록 모형을 구성하였다.
- 이는 수요관리에 의해 변화할 수 있는 비율이므로 현재의 비율과 수요관리에 의해 변화된 비율이 적용 가능하도록 입력을 구성하였다. 원유 정제를 통해 생산되는 석유 제품의 생산량을 산출하기 위해 석유 정제 수율을 입력으로 구성하였으며, 이를 기반으로 석유제품의 수입, 수출량을 산출할 수 있도록 모형을 구성하였다. 발전 방식별로 사용하는 에너지원과 비율이 다르므로, 발전 방식별 1차 에너지 사용량을 산출하기 위해 발전 방식별 연료 사용 비율을 입력을 구성하였다.
- 최종 소비자의 에너지사용량 입력을 기준으로 분배, 변환, 정제의 과정을 통해 1차 에너지원의 최종 사용량이 공급 부문에서 산출되며, 각 에너지원별로 변환 및 소비부문에서의 사용량을 구분하여 산출할 수 있도록 모형을 구성하였다. 원유를 제외한 화석연료의 사용에 따른 CO2 배출량 산출을 위해 IPCC 탄소배출계수를 적용하였으며 에너지원별 단가를 적용하여 에너지사용에 따른 에너지 비용을 산출할 수 있도록 모형을 구성하였다.
- 입력 양식은 종축은 생산 및 수입, 에너지 전환, 최종 소비로 구성되어 있으며, 횡축은 에너지원으로 구성하였다. 원유의 정제를 통하여 생산된 석유 제품은 소비 및 변환 부문에서 사용될 뿐만 아니라, 해외로의 수출입이 이루어지고 있기 때문에 석유제품의 수입 및 수출량을 산출하기 위해 원유의 수입량을 입력사항으로 구성하였다. 에너지 사용량의 전체적인 흐름을 구성하기 위해 국내에서 사용되는 에너지는 아니지만 해외로 이동하기 위해 선박에서 소비되는 에너지 사용량인 국제 벙커링을 입력으로 구성하였다.
- 수율 및 구성 비율은 Energy Balance Flow 구성을 위해 분배, 변환, 정제 부문에 적용되어야 하는 사항이며 정제 수율, 발전 방식별 연료 사용 비율 및 발전 방식별 발전량 구성 비율을 입력으로 구성하였다. 이는 수요관리에 의해 변화할 수 있는 비율이므로 현재의 비율과 수요관리에 의해 변화된 비율이 적용 가능하도록 입력을 구성하였다. 원유 정제를 통해 생산되는 석유 제품의 생산량을 산출하기 위해 석유 정제 수율을 입력으로 구성하였으며, 이를 기반으로 석유제품의 수입, 수출량을 산출할 수 있도록 모형을 구성하였다.
- 수요관리에 의해 전력 사용량이 변화한 경우 발전 설비가 담당하는 발전량이 변화한다. 이때, 수요관리에 의해 변화된 전력 사용량의 영향을 특정 발전 방식에만 적용할 수 있도록 모형을 구성하였다.
- (1) 본 연구에서는 기존에 국내에서 작성되고 있던 Energy Balance Flow와 해외 모형에 적용되는 Reference Energy System의 분석을 통해 수요관리 요소의 적용이 용이한 구조인 공급, 정제, 변환, 분배, 소비의 구분을 Energy Balance Flow의 기본구조를 구성하였다. 이를 바탕으로 국내에서 작성되고 있는 에너지 통계 자료를 분석하여 국내 상황에 맞는 공급, 정제, 변환, 분배, 소비 부문을 구성함으로써 국내에서 사용되는 전체 에너지 흐름을 나타내고 수요 관리 요소의 적용이 가능한 Energy Balance Flow를 구성하였다.
- Energy Balance Flow의 구성을 위해 국내에서 작성되고 있는 에너지 통계와 해외 에너지 수급 모형에서 사용되는 Energy Reference System을 분석하였다. 이를 통해 수요관리의 효과를 통합 에너지 차원에서 평가할 수 있는 모형의 기반으로 사용하기 위해 국내 상황에 적합하고, 수요관리 요소의 투입이 가능한 Energy Balance Flow를 구성하였다.
- 효율향상, 구성 비율 및 수율의 변화, 에너지원 이동, 냉난방방식의 이동, 소형 열병합 발전의 투입 등의 수요관리 요소가 적용되면 에너지 흐름은 변화하게 되고, 이에 따른 국가적 차원의 1차 에너지원 사용량, CO2 배출량, 에너지 사용 금액을 산출할 수 있도록 구성하였다. 입력 사항은 기준으로 사용되는 EnergyBalance Flow의 부문별 에너지 흐름을 산출하기 위한 기본 데이터와 시나리오 적용 Energy Balance Flow의 에너지 흐름 산출하기 위한 수요관리 요소를 입력할 수 있도록 구성하였으며, 입력사항은 3.2절에서 구체적으로 기술하였다 수요관리 효과 분석 모형에서는 수요관리 요소의 투입에 의해 에너지 흐름이 변화하게 되며, 결과적으로 1차 에너지 사용량이 변화하게 된다. Energy Balance Flow와 시나리오 적용 Energy Balance Flow의 1차 에너지 사용량의 차이에 의해 통합 수요관리 효과 분석 결과를 도출하며, 효과 분석의 전체적인 과정은 그림 8과 같다.
- 전력 및 열에너지를 최종 소비자에게 공급하기 위한 송전 및 배전, 열 배관 네트워크를 분배부문으로 구성하였다. 소비부문의 입력 데이터인 전력 및 열의 최종 사용량에 효율을 적용하여 2차 에너지 생산 시설이 생산해야 하는 에너지양 및 손실을 산출하도록 구성하고, 입력사항인 발전 설비별 발전량 구성 비율을 적용하여 각 발전설비가 생산해야하는 전력 생산량을 산출하도록 모형을 구성하였다.
- 원유 및 우라늄, 신재생 에너지의 정제 과정에 따른 에너지 흐름을 산출하기 위해 모형의 정제부문을 구성하였다. 정제의 과정에서는 원유의 수입량에 정제 수율을 적용하여 석유 제품 생산량을 산출하도록 구성하였으며, 석유제품별 소비부문 및 변환부문에서의 사용량을 비교하여 수출입량이 산출되도록 모형을 구성하였다. 또한 석유 제품 사용량에 IPCC 탄소배출계수를 적용하여 CO2 배출량을 산출할 수 있도록 모형을 구성하였다.
- 국내 통계자료를 분석한 결과 해외 모형과 동일한 특성을 가지고 있으므로, Energy Balance Flow의 분배부문 구성은 송전 네트워크, 배전 네트워크, 열 배관 네트워크로 구성하였다. 천연가스 공급의 경우 네트워크의 구성은 없으나 공급에 따른 손실은 적용되도록 분배부문을 구성하였다.
- 석탄, 석유, 천연가스, 우라늄 및 신재생 에너지의 소비,변환, 정제 부문에서 사용되는 전체 에너지사용량이 산출되도록 모형의 공급부문을 구성하였다. 최종 소비자의 에너지사용량 입력을 기준으로 분배, 변환, 정제의 과정을 통해 1차 에너지원의 최종 사용량이 공급 부문에서 산출되며, 각 에너지원별로 변환 및 소비부문에서의 사용량을 구분하여 산출할 수 있도록 모형을 구성하였다. 원유를 제외한 화석연료의 사용에 따른 CO2 배출량 산출을 위해 IPCC 탄소배출계수를 적용하였으며 에너지원별 단가를 적용하여 에너지사용에 따른 에너지 비용을 산출할 수 있도록 모형을 구성하였다.
- 통합 수요관리 효과 분석을 위한 Energy SystemManagement 모형은 기준 Energy Balance Flow 구성을 위해 소비부문의 최종에너지 사용량과 현재의 효율 및 구성비율의 입력하도록 구성하였으며, 이를 기준으로 수요관리에 의한 국가적 차원의 1차 에너지 사용량 변화를 산출하기 위해 수요관리 요소를 입력할 수 있도록 구성하였다. Energy System Management 모형을 통한 통합 수요관리 효과 분석을 수행하기 위한 세부 입력 사항의 구성은 표 1과 같다.
- 에너지 사용 용도별 구성은 해외 모형과 국내 통계자료에서 차이를 보이고 있으며, 해외 모형과 국내 통계의 세부적인 소비부문 구성은 그림 2와 같다. 해외 모형이 더 구체적으로 작성되고 있으나 구체적인 구성이 이루어진다 하여도 통계 자료가 존재 하지 않으면 에너지 흐름을 구성할 수 없기 때문에 Energy Balance Flow의 소비부문 구성은 국내 통계 자료의 구분을 적용하였다.
- 에너지원별 사용단위를 [천TOE]로 변환하기 위해 에너지원별 계수를 적용하고, 에너지원별 수입 비용을 [백만원]단위로 변환하기 위해 환율을 입력할 수 있도록 구성하였다. 화석연료의 1차 에너지 사용량과 석유제품의 사용량에 IPCC 탄소배출계수를 적용하여 에너지 사용에 따른 CO2 배출량을 산출할 수 있도록 모형을 구성하였다. 그러나 화석연료 중 원유는 정제를 통해 석유제품으로 변화하고 석유제품에 IPCC 탄소배출계수를 적용하였으므로 원유에는 IPCC 탄소배출계수를 적용하지 않고 모형을 구축하였다.
- Energy Balance Flow는 통합 수요관리 효과를 산출하기 위한 기준으로 사용되며, 소비부문 에너지 사용량, 현재의 수율 및 구성 비율, 효율의 입력을 통하여 각 부문별 에너지 흐름을 산출하고, 최종적으로 국가적 차원의 1차 에너지 사용량, CO2 배출량, 에너지 사용 금액이 산출되도록 구성하였다 시나리오 적용 Energy Balance Flow는 수요관리 요소를 적용에 따른 각 부문별 에너지 흐름의 변화를 산출하기 위한 Energy Balance Flow이다. 효율향상, 구성 비율 및 수율의 변화, 에너지원 이동, 냉난방방식의 이동, 소형 열병합 발전의 투입 등의 수요관리 요소가 적용되면 에너지 흐름은 변화하게 되고, 이에 따른 국가적 차원의 1차 에너지원 사용량, CO2 배출량, 에너지 사용 금액을 산출할 수 있도록 구성하였다. 입력 사항은 기준으로 사용되는 EnergyBalance Flow의 부문별 에너지 흐름을 산출하기 위한 기본 데이터와 시나리오 적용 Energy Balance Flow의 에너지 흐름 산출하기 위한 수요관리 요소를 입력할 수 있도록 구성하였으며, 입력사항은 3.
대상 데이터
- 소비부문 입력의 구성 요소는 에너지 최종 사용량, 원유수입량, 국제 벙커링, 에너지원 국내 생산량으로 구성하였다. 소비부문의 에너지 사용량은 에너지 흐름을 산출하기 위한 기본 데이터로 사용되며, 입력 단위는 [천TOE]로 구성하였다. 입력 양식은 종축은 생산 및 수입, 에너지 전환, 최종 소비로 구성되어 있으며, 횡축은 에너지원으로 구성하였다.
- 원유의 정제를 통하여 생산된 석유 제품은 소비 및 변환 부문에서 사용될 뿐만 아니라, 해외로의 수출입이 이루어지고 있기 때문에 석유제품의 수입 및 수출량을 산출하기 위해 원유의 수입량을 입력사항으로 구성하였다. 에너지 사용량의 전체적인 흐름을 구성하기 위해 국내에서 사용되는 에너지는 아니지만 해외로 이동하기 위해 선박에서 소비되는 에너지 사용량인 국제 벙커링을 입력으로 구성하였다. 국내의 경우 석유 및 천연가스는 대부분 수입하고 있으며, 매년 일정하지 않게 생산되고 있는 실정이다.
- 국내의 발전 방식은 총 14가지로 구분되며, 발전 방식 중 중대형CHP는 전력과 열을 동시에 생산한다. 열 생산 시설은 중대형CHP, 발전에 의한 발전열, PLB(Peak Load Boiler)로 구성하였으며, 변환부문 구성은 그림 11과 같다.
이론/모형
- 국내외에서 작성되는 Energy Balance Flow는 모두 공급부터 소비까지의 에너지 흐름이 나타나도록 구성되어 있으나 국내의 경우 수요관리 요소의 적용이 가능한 변환 및 분배의 과정이 간략하게 구성되어 있는 반면 해외 통합 에너지 모형에 적용되고 있는 Energy Reference System은 각 부문별로 수요관리 요소의 적용이 용이하도록 공급, 정제, 변환, 분배, 소비로 구분되어 체계적이며, 세부적으로 구성되어 있다. 따라서 Energy Reference System의 구조를 수요 관리 요소의 적용이 가능한 Energy Balance Flow의 구조로 구성하였으며, 그림 1은 해외 통합 에너지 수급 모형에 적용되고 있는 Reference Energy System이다.[5]
성능/효과
- 국내 상황에 맞는 Energy Balance Flow의 공급부문 구성을 위해 해외 모형과 국내 통계자료를 분석한 결과, 해외 모형의 공급부문에서는 석탄, 가스 및 석유의 생산과 전력 및 우라늄의 수입이 이루어지고 있었으며, 국내 통계자료의 경우 생산 가능한 에너지원은 무연탄과 소량의 LNG 뿐이며, 대부분의 에너지원은 수입되고 있는 것으로 분석되었다. 또한 해외 모형의 경우 재고 증감 및 수출에 대해서는 에너지 흐름에 포함시키고 있으나, 선박이 해외로 이동함에 따라 사용되는 에너지 통계인 국제 벙커링은 포함시키지 않고 있는 반면 국내 통계자료에서는 국제 벙커링이 에너지 흐름에 포함되어 있고, IEA(International Energy Agency)에서도 국제 벙커링은 에너지 통계에서 고려되어야 하는 중요한 사항임을 나타내고 있음에 따라 Energy Balance Flow의 공급부문 구성요소로 국제 벙커링을 적용하였다.
후속연구
- (4) 본 연구에서 개발한 모형을 이용하여, 수요관리 요소의 투입이 국가적 차원의 에너지 흐름에 미치는 영향의 분석이 가능하며, 수요관리에 의한 에너지 절감 및 CO2 배출저감 효과를 정량적으로 산출할 수 있고, 에너지 사용 절감을 위한 수요관리의 타당성과 유용성을 증명하기 위한 모형으로 사용될 것으로 사료된다.
- 본 연구에서는 수요관리에 의한 효과 분석 모형은 1차 에너지 사용량의 변화에 미치는 영향을 단일년도에 대한 결과만 도출되도록 구성하였지만, 향후 수요관리 요소의 투입이 다년도의 에너지 사용 변화에 미치는 영향을 평가할 수 있고, 효율향상 및 구성 비율 변화에 의한 영향뿐만 아니라 수요관리 정책이 에너지 사용량의 변화에 미치는 영향을 추가하여 고려할 수 있는 모형의 구축이 이루어져야 할 것으로 사료된다.
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